牤牛河河口攔門沙成因分析及解決措施

羅海龍

（遼寧省白石水庫管理局，遼寧 朝陽 122000）

白石水庫所在大凌河流域及主要支流牤牛河流域氣候干燥、土壤松散、暴雨集中，洪水期河流含沙量很大，存在著嚴(yán)重的泥沙淤積問題。水庫庫沙比為69.3，按DL/T-1999《水利水電工程泥沙設(shè)計規(guī)范》確定為泥沙問題嚴(yán)重的水庫（庫沙比小于100）。

泥沙主要源于地處大凌河左側(cè)內(nèi)蒙古自治區(qū)奈曼旗、庫倫旗半移動沙丘、黃土丘陵的多沙支流牤牛河，其平均含沙量高達(dá)40 kg/m3，實測最大含沙量172 kg/m3，年均輸沙量1160 t，占大凌河水文站年均輸沙量的54.2%。白石水庫上游閻王鼻子水庫建成后，攔蓄了大凌河流域水流中的大部門泥沙，隨之牤牛河年均輸沙量占白石水庫入庫沙量比例增加到62.8%。

1 牤牛河河口攔門沙演變模式

牤牛河河口口門地區(qū)的攔門沙演變及淤積模式是由牤牛河來水來沙條件、大凌河水動力條件及兩河交匯處邊界條件等多種因素所決定。受白石水庫蓄水的影響，牤牛河河口地區(qū)水深增加，比降、流速減小，因此交匯區(qū)泥沙必然淤積，加上白石水庫蓄水后常年蓄水運用，加重了河口的累積淤積。牤牛河匯流段的淤積表現(xiàn)出與一般匯流段不同的演變模式，首先是牤牛河河口口門處的淤積明顯大于上下游河段，其次是淤積后的河床橫向上呈現(xiàn)左高右低的形態(tài)，第三是牤牛河匯流段的淤積顯著大于涼水河的淤積。

1.1 攔門沙縱向演變模式

為了系統(tǒng)研究白石水庫泥沙淤積變化情況，從1998年開始就進(jìn)行了白石水庫泥沙淤積斷面測量工作，測量范圍由壩址開始向庫區(qū)內(nèi)至127 m淹沒線，斷面間距按照能夠控制正常高水位127 m以下的整個庫區(qū)為原則，大凌河設(shè)置56個斷面，牤牛河布置13個斷面，涼水河6個斷面，總計斷面75個，平均間距約0.9 km，每隔兩年汛后進(jìn)行一次庫區(qū)斷面淤積測量。

通過采用水位庫容法對1998—2010年庫區(qū)各測控斷面測量數(shù)據(jù)計算得出，127 m高程下淤積總量為5419萬m3，平均淤積厚度0.52 m。泥沙淤積計算成果見表1。

表1 白石水庫1998—2010年庫區(qū)泥沙淤積計算成果表

由白石水庫1998—2010年淤積縱剖面圖（如圖1）可以看出，庫區(qū)河床發(fā)生了累積性淤積，尤其是在牤牛河河口口門附近推移明顯，并形成了攔門沙，并有逐年抬高之勢。

牤牛河河口段的淤積強度、平均淤積厚度比大凌河干流上的其它區(qū)段要大。牤牛河河口段的淤積強度是其上游干流段的1.8倍、下游段的2.3倍。牤牛河河口段的平均淤積厚度是牤牛河河口上游干流段的2.2倍、下游干流段的2.6倍。

對比庫區(qū)總體與牤牛河河口段年均淤積速度如表2所示，可以看出牤牛河河口段的年均淤積速度要遠(yuǎn)大于庫區(qū)總體年均淤積速度，最大時牤牛河河口段的年均淤積速度是庫區(qū)總體年均淤積速度的5倍。

表2 年均淤積速度m/a

1.2 攔門沙橫向演變模式

白石水庫庫區(qū)斷面總體淤積為累積性的平行淤積，淤積后河道河床整體趨于水平，但是牤牛河河口段的淤積與總體淤積分布不同，淤后河床左側(cè)高右側(cè)低，河道斷面有橫比降，比降在0.1%～0.2%之間。在牤牛河河口，牤牛河從左側(cè)入?yún)R，入?yún)R后水流受水庫蓄水以及過水寬度突然增加的影響，流速迅速降低，泥沙沿程落淤，導(dǎo)致泥沙淤積左多右少，產(chǎn)生橫比降。

圖1 大凌河1998—2010年淤積縱剖面圖

2 攔門沙形成原因分析

2.1 來水來沙條件

牤牛河來水來沙因受降雨影響，輸沙率年內(nèi)分布極不均勻，5—10月占全年的99.5%，而且絕大部分集中在汛期的幾場洪水期間。牤牛河入?yún)R水流含沙量大，表3給出了水庫蓄水后大凌河干流和支流牤牛河的來水來沙條件。從表3中可以看出，牤牛河流量較大凌河小，但牤牛河的含沙量顯著大于大凌河。

表3 大凌河 牤牛河來水來沙統(tǒng)計表

2.2 干支流洪水遭遇期

大凌河干流洪水與牤牛河洪水遭遇幾率較低是形成攔門沙主要原因。見表4。

由表4可看出，除了2004年、2006年外，大凌河洪水與牤牛河洪水基本沒有遭遇，這導(dǎo)致牤牛河洪水帶來的泥沙在進(jìn)入大凌河干流后，集中淤積在口門段，后期大凌河洪水很難將已經(jīng)常年淤積在庫區(qū)的泥沙帶往下游庫段，從而在牤牛河河口口門處淤成坎，進(jìn)而形成攔門沙。

2.3 匯流比

牤牛河匯流比大是導(dǎo)致牤牛河河口口門段淤積較大的另一個主要原因。匯流比是指支流流量與干支流合流后流量的比值，不同匯流比條件下，由于庫區(qū)水深的沿程變化，流速沿縱向衰減較快，直接導(dǎo)致泥沙大量淤積在牤牛河河口段。大凌河來洪水時，交匯區(qū)的斷面流速增加，到匯流口以下流速又逐漸減小。故大凌河上游來的洪水不具有將淤積在口門處的泥沙沖刷帶往下游的水動力條件。牤牛河、涼水河匯流比見表5。

表4 各年份大凌河 牤牛河洪水發(fā)生日期

表5 牤牛河 涼水河匯流比%

從表5中可以看出，2001—2010年間牤牛河的匯流比基本上都超過20%，洪水時匯流比很多年份均超過50%，在2010年甚至達(dá)到95.86%。牤牛河的水動力條件較強，干流大凌河受到支流牤牛河擠壓作用較大，大凌河干流來水下行受阻，上游水位壅高，流速減小，泥沙落淤。而支流牤牛河下行水流在匯流段受到水庫回水的頂托作用，支流上游水位壅高，水面比降降低，水流流速減小，泥沙淤積。同時由于牤牛河出入?yún)R口處后，水流分散，流速迅速沿程減小，挾沙能力降低，使上游挾帶的泥沙在河口處淤積。

3 解決攔門沙的措施探討

由于白石水庫的運用方式不會發(fā)生明顯改變，牤牛河與大凌河干流的交匯角、匯流比、洪水遭遇幾率等變化不會很大，牤牛河年均來沙量雖然近年來有所減小，但洪水挾帶的泥沙依然保持較高的狀態(tài)，因此牤牛河交匯區(qū)的淤積將會繼續(xù)發(fā)展，牤牛河河口橫向上的凸起高度將會越來越大，會將大凌河干流庫區(qū)分成上下兩部分，即形成庫中庫。隨著水庫的運行，牤牛河河口處泥沙淤積厚度與上下游的差別將會進(jìn)一步加大，影響水庫有效庫容的正常運行，降低水庫設(shè)計效益。

3.1 設(shè)計排沙方式

白石水庫運行不僅需要考慮防洪和興利要求，還必須考慮排沙，以保持有效庫容，延長水庫壽命。經(jīng)過理論計算和模型試驗研究，在白石水庫大壩右側(cè)設(shè)計12個泄洪排沙底孔滿足排沙需要。遇大水大沙年10000 m3/s（20年一遇）以上洪峰時，則24 h內(nèi)預(yù)泄到死水位108 m，空庫迎洪集中排沙。20年一遇以下中小洪水利用棄水異重流排沙；其它年份則蓄洪運用，以實現(xiàn)水庫排沙率在35%左右，滿足庫沙比大于100，達(dá)到規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)保證水庫有效壽命超過百年以上。

3.2 工程措施排沙

在牤牛河交匯口門上游牤牛河內(nèi)挖槽淤沙，定期清除可以顯著減少庫區(qū)泥沙淤積總量，對牤牛河河口交匯區(qū)淤積發(fā)展也有一定的減緩作用。也可以修筑攔砂壩、管道（輸水洞）排沙及挖沙造地等其他減淤方案。

3.3 絞吸式挖泥船

絞吸式挖泥船，其工作原理就是通過絞刀旋轉(zhuǎn)切削土體，造成土體結(jié)構(gòu)的瓦解和破壞，使切削下來的土顆粒與水混合形成泥漿，通過設(shè)在絞刀后的泥漿泵吸口吸入泥漿泵吸泥管，再通過排泥管道輸送到堆沙區(qū)。挖出的泥沙可以置于臨岸洼地，將其墊平，淤改土壤。

4 結(jié)語

白石水庫主要支流牤牛河是一條多泥沙河流，河口口門處攔門沙的消長與大凌河、牤牛河來水來沙、洪水發(fā)生期遭遇頻率、匯流比等因素密切相關(guān)，而攔門沙的發(fā)展變化將白石水庫庫區(qū)分為上下兩個部門，形成庫中庫，使得白石水庫的有效庫容較設(shè)計時有所減少，降低了水庫的設(shè)計效益。因此，應(yīng)根據(jù)攔門沙形成與演變的規(guī)律，既要利用設(shè)計的異重流排沙方式，又要采用一定的工程措施疏浚攔門沙。工程措施宜采用挖槽淤積，修筑攔砂壩，挖泥船等方式，將挖出的泥沙用來淤臨造灘、淤改土地、維護(hù)河岸等。

[1]遼寧省水利勘察設(shè)計研究院，白石水庫初步設(shè)計報告[R].

[2]董偉，魏偉，周茜.淺談黃河河口攔門沙疏浚綜合技術(shù)[J].南水北調(diào)與水利科技，2010，8（3）∶142-145.

[3]吉祖穩(wěn)，胡春宏.黃河口攔門沙演變分析[J].泥沙研究，1995（3）∶1-9.